Nature子刊:約束效應功勞大!二維石墨烯多層約束MOF實現高效催化OER

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析氧反應(OER)在水分解、金屬-空氣電池等可再生能源技術中占有重要地位。金屬-有機骨架(MOF)是設計高效OER電催化劑的理想材料,但其固有的低導電性嚴重阻礙了電催化活性的發展。


基于此,浙江大學侯陽、中科院寧波材料所張濤中科院大連化物所肖建平等開發了一種電化學策略,通過石墨烯多層膜的納米約束,以增強低導電性MOF的催化性能。
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研究人員將商業石墨箔在0.5 M H2SO4溶液中0.5小時以展開為石墨烯多層膜。隨后,使用特定的有機鹽溶液作為電解質將有機配體插入擴張的石墨烯/石墨層,處理后的石墨箔浸入金屬鹽溶液(如Ni2+或Fe3+)中,在石墨烯多層膜的界面形成MOF插層(NiFe-BTC//G)。在OER過程中,NiFe-BTC//G在10 mA cm-2電流密度下的過電位僅為106 mV;其還能夠在10 mA cm-2下連續運行150小時而沒有發生明顯的性能下降。
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實驗結果和理論計算表明,石墨烯多層膜納米約束下Fe和Ni物種之間電子轉移增強,這使得Ni-O鍵結合得更強,增強了OER活性。石墨烯多層膜的納米約束不僅在MOF結構中形成高度活性的NiO6-FeO5扭曲的八面體物種,而且還降低了水氧化反應的極限電位。此外,研究人員還將該策略應用于其他不同結構的MOFs,大大提高了其電催化活性。
Exceptional Catalytic Activity of Oxygen Evolution Reaction via Two-dimensional Graphene Multilayer Confined Metal-organic Frameworks. Nature Communications, 2022. DOI: 10.1038/s41467-022-33847-z




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